基于监测数据的黑臭河道水体治理净化效果分析

张伟杰

（深圳市水务工程建设管理中心,广东 深圳 518000）

随着城市化进程的加速,黑臭河道已经成为城市环境治理的难点之一。黑臭河道水体中存在大量有机物、氨氮、总磷等污染物,给人类健康和生态环境带来巨大威胁。为了有效治理黑臭河道,科研工作者和政府部门不断探索各种治理技术和模式。目前,随着科技水平的提升,黑臭河道水体监测技术不断完善,监测数据的可靠性和准确性得到提升。在这样的背景下,黑臭河道水体治理净化效果的研究也得到了广泛关注和深入探索。

已有多位学者开展了黑臭水体净化效果研究,并取得了有益成果。方焰星[1]等对5 种水生植物对污染水体的净化效果进行了对比；丁文婧[2]等指出总磷是重要的水质参数之一,有效监控总磷含量可以控制水体富营养化,有利于保护水资源的饮用和水生动植物的养殖；黄南平[3]等研究了在污水厂改造过程中出现的问题,指出碳源和池容是影响脱氮的主要因素；关智平[4]立足于城市黑臭水体治理现状,研究分析了生态修复技术在城市黑臭水体治理中的应用和实践；彭婉婷[5]等通过室内静水实验7 种不同生态型的湿地植物进行镶嵌组合后各组合对水体中氮、磷的去除效果。

本研究目的是通过对某黑臭河道的生态修复和治理,探究有效的水体净化和治理方法。进行长期的水质监测,并统计化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）的去除率,以评估生态修复和治理措施的实际效果,以期为其他黑臭河道的治理提供科学依据。

1 研究对象概况

本文的研究对象是一条位于某城市的黑臭河道,该河道是当地主要的水资源之一。由于长期受到生活污水、农业面源污染等多种因素的影响,该河道水体出现了黑臭现象,水质状况严重受损。该黑臭河道的河流长度约为10 km,流域面积约为80 km2,河道两侧分别为城市和农村。河道周边存在着大量的生活污水排放口、工业废水排放口以及农业面源污染等,使得该河道的水体受到了极大的污染。为了治理该黑臭河道水体,当地政府部门采取了多种治理措施,包括建设景观支渠、构建植物群落、建造生态氧化塘、构建人工湿地、生态浮床等。本文对该黑臭河道治理项目的实施效果进行监测和评估。

2 研究方法

本文的实验方法主要包括：采样、监测和数据分析。采样方面,本研究选择黑臭河道中流域较为典型的水域作为样本点,采用水样器在不同时间点采集水样,并使用干净的玻璃瓶进行保存。样本采集过程中需遵守严格的操作规范,避免外界污染。监测方面,本研究采用国家标准方法对水质指标进行监测,包括COD、NH3-N、TP、TN 等。监测过程中需严格按照标准方法操作,保证监测结果的准确性和可比性。

3 研究结果

3.1 COD 去除率

图1 是出水口CODcr 浓度随月份变化曲线,如图1 所示,在监测过程中,位于不同位置的监测点CODcr 浓度分别是：源头24.33 mg/L±32.36 mg/L、景观支渠11.77 mg/L±20.84 mg/L、植物群落构建区13.93 mg/L±33.73 mg/L、生态氧化塘14.55 mg/L±30.10 mg/L、人工湿地20.7 mg/L±11.67 mg/L、生态浮床11.92 mg/L±8.91 mg/L。通过分析整个系统的CODcr 监测数据可知基本满足地表水V 类标准。随着季节的变化,月份的增加,CODcr 浓度在11 月份达到峰值,这与气温、日照时间、降雨量、水流量、植被生长等因素有关。在夏季和春季,植物生长旺盛,通过光合作用吸收二氧化碳和营养盐,水中的有机物质会被生物降解,从而导致CODcr 浓度下降。相反,在秋季和冬季,植物生长减缓,水中的有机物质在缺乏光照和生物降解作用下逐渐积累,从而导致CODcr 浓度升高。在景观支渠、生态氧化塘、植物群落构建区、生态浮床这四种生态措施中出水口的CODcr 的浓度较好平均值在Ⅳ类标准以上,全年大部分月份在Ⅴ类标准以上,这与施工预期吻合。

图1 出水口CODcr 浓度随月份变化曲线

图2 是COD 去除率随月份变化曲线图,观察图2 可以发现几种生态措施对COD 去除率相差不大,通过计算其全年平均去除率其中去除率最高的是景观支渠31.04%,最低是是植物群落构建区28.04%。这些生态处理设施对COD 的平均去除率相差不大,可能是因为它们都能提供充足的环境和生态功能,促进生态系统内各种微生物和生态因子的协同作用,最终达到去除COD 的效果。

图2 COD 去除率随月份变化曲线图

3.2 TN 去除率

观察图3 可以发现,在监测过程中,位于不同位置的监测点TN 浓度分别是：源头2.83 mg/L±0.89 mg/L、景观支渠1.49 mg/L±3.84 mg/L、植物群落构建区1.93 mg/L±1.73 mg/L、生态氧化塘1.55 mg/L±1.31 mg/L、人工湿地1.69 mg/L±3.09 mg/L、生态浮床1.92 mg/L±1.24 mg/L。在所有生态措施中,TN 浓度最高值在2 月的生态氧化塘为7.53 mg/L,最小值出现在9 月份的景观支渠为0.45 mg/L。在6 月～9 月,多个生态措施中的TN 浓度呈下降趋势,在9 月～12 月呈上升趋势,这是因为在6 月～9 月期间,水体生态系统比较稳定,生物多样性较高,气温较高,这些因素共同作用下,生态措施能够更有效地降低水中的TN 浓度。而在9 月～12 月,水体生态系统不够稳定,降雨量逐渐增加,气温下降,生态措施的净化效果受到一定的影响,导致TN 浓度呈上升趋势。

图3 出水口TN 浓度随月份变化曲线

从图4 可以看出,生态氧化塘对TN 的净化效果较好,在全年有9 个月份净化效果高于整体水平,其中在5 月份的净化效果最好接近90%,平均去除率在46.58%。生态浮床对TN的净化效果仅次于生态氧化塘,其平均去除率在38.59%。景观支渠对TN 的净化效果最差,全年有11 个月低于整体水平,这主要是由于其设计和建设问题、空间受限、水流速度过快以及缺乏水生植物等原因所致,其平均去除率是11.71%。植物群落构建区和人工湿地的平均去除率相差不大均在百分之25%左右。

图4 TN 去除率随月份变化曲线图

3.3 NH3-N 去除率

如图5 所示,在监测过程中,位于不同位置的监测点NH3-N 浓度分别是：源头1.27 mg/L±0.85 mg/L、景观支渠0.54 mg/L±2.92 mg/L、植物群落构建区0.37 mg/L±0.62 mg/L、生态氧化塘0.59 mg/L±1.08 mg/L、人工湿地0.76 mg/L±1.30 mg/L、生态浮床0.69 mg/L±1.27 mg/L。从源头进水时的NH3-N 浓度可以看出,在冬春季节NH3-N 浓度较高,夏季较低,这是因为在冬春季节,水温低,水流速较慢,水中生物代谢相对较缓慢,因此NH3-N 浓度相对较高；而夏季水温升高,水流速相对较快,水中生物代谢活跃,NH3-N 得到充分的代谢和转化,因此NH3-N 浓度相对较低。

图5 出水口NH3-N 浓度随月份变化曲线

图6 是NH3-N 去除率随月份变化曲线图,观察图6 可以发现生态浮床对NH3-N 的净化效果最好,全年平均净化率为78.9%,人工湿地的净化效果仅次于生态浮床,其平均净化率为69.8%,植物群落构建区的平均净化率为56.63%,景观支渠和生态氧化塘的净化效果相近分别是46.99%和45.99%。生态浮床和人工湿地作为一种低成本、低能耗的人工湿地系统,能够利用水生植物和微生物的生态学作用,去除废水中的氨氮等污染物质,其中水生植物和微生物共同作用起到了主要的净化作用。水生植物可以吸收水中的营养物质,促进水中的微生物生长和代谢,从而促进污染物的降解和去除。而人工湿地中的微生物群落可以有效地利用废水中的氨氮等污染物质,将其转化为无害物质。此外,生态浮床和人工湿地的构建还能够提高水体中的溶解氧含量,促进水中的微生物生长和代谢,从而增强净化效果。

图6 NH3-N 去除率随月份变化曲线图

3.4 TP 去除率

从图7 可以看出,在监测过程中,位于不同位置的监测点TP 浓度分别是：源头0.18 mg/L±0.12 mg/L、景观支渠0.10 mg/L±0.13 mg/L、植物群落构建区0.11 mg/L±0.14 mg/L、生态氧化塘0.11 mg/L±0.10 mg/L、人工湿地0.13 mg/L±0.14 mg/L、生态浮床0.09 mg/L±0.12 mg/L。整体看来,该河道的TP 浓度较低,TP 浓度最高的是源头出水口的0.3 mg/L。TP 浓度在冬春季节相对较高,总体来说其原因有多方面,包括气温较低、水体中的生物活动缓慢、水流速度较慢、植物吸收磷的能力较弱以及农业活动对水体的污染等。这些因素导致了TP在水体中停留时间较长,难以被移走和转化,最终导致了TP浓度的升高。

图7 出水口TP 浓度随月份变化曲线

如图8 所示,生态氧化塘对TP 的净化效果最好,全年平均去除率在59.66%,其次是植物群落构建区,其平均去除率是35.56%,景观支渠和人工湿地的平均去除率相近均在22%左右,生态浮床的平均去除率是27.03%,其中景观支渠的去除率最低。生态氧化塘对TP 的净化效果最好是因为其采用了多种不同的生态措施,包括水生植物、微生物等,能够有效地吸附和转化TP。生态氧化塘能够利用水流和自然光照的作用,提供适宜的生境环境,利用水生植物吸收和转移营养物质,同时利用微生物将TP 分解成无害物质,从而达到净化水体的目的。景观支渠和人工湿地的水体流动性较弱,难以将底部的污染物充分悬浮到水体表面,从而限制其对TP的去除效果。其次,景观支渠和人工湿地的植被覆盖率较低,这限制了其生态系统的稳定性和功能,进一步影响了其处理效果。

图8 TP 去除率随月份变化曲线图

4 结论

本文通过对某黑臭河道的生态修复和治理,探究有效的水体净化和治理方法,进行了长期的水质监测,并统计了化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）的去除率,得到以下结论：

1）整个系统的CODcr 监测数据基本满足地表水V 类标准,CODcr 浓度在11 月份达到峰值。在6 月～9 月,多个生态措施中的TN 浓度呈下降趋势,在9 月～12 月呈上升趋势。在冬春季节NH3-N 浓度较高,夏季较低。整体看来,该河道的TP 浓度较低,且TP 浓度在冬春季节相对较高。

2）几种生态措施对COD 去除率相差不大,平均去除率都在30%左右,生态氧化塘对TN 和TP 的净化效果较好,平均净化率分别是46.58%和59.66%；生态浮床对NH3-N 的净化效果最好,平均净化率为78.9%；景观支渠对TN 和TP 的净化效果最差。